Idealer skinner ind i virkeligheden: All-solid-state batterier vil blive masseproduceret

På baggrund af global energitransformation udvikler nye energiteknologier sig hurtigt. All-solid-state-batterier, som en meget lovende næste generations batteriteknologi, bliver gradvist i fokus for industrien. For nylig har bilproducenter som Changan Automobile og BYD annonceret installationsplanen for all-solid-state batterier, hvilket indikerer, at kommercialiseringsprocessen for all-solid-state batterier accelererer.

All-solid-state-batterier henviser til lithium-ion-batterier, der bruger elektrolytter med fast tilstand. Med hensyn til arbejdsprincipper er de ikke forskellige fra traditionelle lithiumbatterier, men deres kerne, faststof-elektrolytter giver dem mange fordele i forhold til traditionelle flydende lithiumbatterier.

Med hensyn til sikkerhedsydelse er elektrolytten af ​​traditionelle flydende lithiumbatterier brændbar og flygtig, hvilket er en vigtig årsag til elektriske køretøjsbrande og endda eksplosioner. Den faste elektrolyt, der bruges i all-solid-state-batterier, er ikke brandfarlig, hvilket i høj grad reducerer risikoen for forbrænding og eksplosion af batterier og forbedrer sikkerheden i høj grad. For eksempel kan nogle faststofbatterier modstå høje temperaturer på 1, 000 grader og kan fortsætte med at levere strøm, selvom et hjørne skæres.

Med hensyn til energitæthed har all-solid-state batterier åbenlyse fordele. Energitætheden af ​​traditionelle lithiumbatterier har gradvist nærmet sig en flaskehals. Energitætheden af ​​lithiumjernfosfatbatterier er 150-210 wh/kg, og den øvre grænse for ternære lithiumbatterier er ca. 350Wh/kg. Energitætheden for all-solid-state batterier forventes at nå mere end 500Wh/kg. F.eks. Kan energitætheden af ​​Jinzhongzhao all-solid-state batteri udviklet af Changan-bilen nå 400WH/kg, og krydstogtsområdet overstiger 1.500 kilometer, når det er fuldt opladet, hvilket i høj grad lindrer rækkevidden. På samme tid kan faste elektrolytter modstå højere spændinger, og batterivolumen kan reduceres yderligere, hvilket i høj grad forbedrer opladningshastigheden, og det forventes at opnå et krydstogtsområde på 1, 000 kilometer efter opladning i 10 minutter.

Med hensyn til cyklusstabilitet og høj og lav temperatur ydeevne fungerer all-solid-state batterier også godt. Dens cyklusliv kan nå mere end 10, 000 gange, hvilket er meget højere end ternære lithiumbatterier og lithiumjernphosphatbatterier, og det kan opretholde god ydelse i høje og lave temperaturmiljøer, hvilket effektivt løser problemet med langsom opladning og hurtigt effekttab af traditionelle lithiumbatterier i lave temperaturer om vinteren.

På nuværende tidspunkt er der tre mainstream tekniske ruter til faste statsbatterier: polymerer, oxider og sulfider.

Polymerelektrolytter hører til kategorien af ​​organiske elektrolytter. De er fleksible, har gode mekaniske egenskaber, er lette at behandle og form, er meget kompatible med eksisterende flydende elektrolytproduktionsprocesser, er lette at forberede tynde film i stor skala og har opnået småskala masseproduktion. Imidlertid er deres ledningsevne lav ved stuetemperatur, normalt mellem 10⁻⁷ og 10⁻⁴s/cm, og de skal opvarmes til over 60 grader for at fungere korrekt. De har et smalt elektrokemisk vindue og relativt dårlig termisk stabilitet.

Oxidelektrolytter er stabile i luften, har fremragende termisk stabilitet, kan modstå høje temperaturer over 600 grader, har høj mekanisk styrke, kan effektivt hæmme væksten af ​​lithium-dendritter og er egnede til højspændingspositive elektrodematerialer, såsom høj-nickel ternære materialer. F & U -omkostningerne og vanskelighederne er relativt lave. Imidlertid har det også problemet med lav ionisk ledningsevne. Konduktiviteten ved stuetemperatur er generelt mellem 10⁻⁶ og 10 ⁻³s/cm, hvilket skal forbedres ved sintring eller tilsætning af flydende elektrolytter, og grænsefladeimpedansen med elektroden er høj, hvilket resulterer i en kort cyklusliv.

Sulfidelektrolytter har fremragende ydelse og den højeste ioniske ledningsevne. Konduktiviteten ved stuetemperatur kan nå 10 ²/cm, som er tæt på niveauet for flydende elektrolytter. De understøtter hurtig opladning og afladning, og den teoretiske energitæthed overstiger 500Wh/kg. De er kompatible med lithiummetal -negative elektroder, har god termisk stabilitet, er bløde i tekstur og har stærk plasticitet. De har imidlertid dårlig kemisk stabilitet og er lette at reagere med fugt og ilt i luften for at generere giftigt hydrogensulfidgas. De er vanskelige at forberede og have høje produktionsomkostninger.

Globalt har mange virksomheder investeret i forskning og udvikling og produktion af all-solid-state batterier og fremskyndede deres layout. Japanske bilproducenter startede tidligt i forskningen og udviklingen af ​​faste statsbatterier.
Toyota Motors startede solid-state batteri-forskning og -udvikling allerede i 2006 og annoncerede for nylig, at det vil starte små forsøgsproduktion i 2026 og masseproduktion efter 2030;
Honda Motors annoncerede, at det vil starte prøveproduktionen af ​​all-solid-state-batterier til rene elektriske køretøjer i januar 2025; Nissan planlægger at starte prøveproduktionen af ​​faste statsbatterier på sin Yokohama-plante i år og lancere elektriske køretøjer udstyret med all-solid-state-batterier i 2028.

Kinesiske virksomheder er også uvillige til at hænge bagud. CATL har opbygget en pilotproduktionslinje til all-solid-state batterier og udfører i øjeblikket procesoptimering og produktverifikation. Det forventes at masseproducere all-solid-state batterier i lille skala i 2027.

BYD begyndte forskning og udvikling af all-solid-state-batterier i 2013 og er startet gennemførlighedsverifikation af industrialisering af fast tilstand batteri, der dækker gennembrud i nøgle materialeteknologi, udvikling af batteriercellesystemer og produktionslinjekonstruktion. Det forventes at starte massedemonstration og installation af all-solid-state-batterier i 2027 og opnå storskala kommercialisering efter 2030.

Changan-biler planlægger at lancere 8 selvudviklede batterceller, herunder væske, halvfast og solid, i 2030, til at lancere funktionelle prototyper i 2025 og gradvist masse producerer all-solid-state batterier i 2027.

Gac Aion annoncerede, at det vil opnå masseproduktion og installation af all-solid-state batterier i 2026 og først vil blive installeret i sit avancerede brand Haobo;

Chery Automobile planlægger at opnå all-solid-state batteriinstallation i 2026 og storskala masseproduktion i 2027;

SAIC Group annoncerede, at all-solid-state-batterier vil blive masseproduceret og leveret i 2026, og Zhiji nye biler udstyret med all-solid-state batterier vil blive masseproduceret og leveret i 2027.

Fra det samlede industriperspektiv ligner den faststofbatteri industrikæde den for flydende batterier, der dækker opstrøms råmaterialeforsyning, midtstrømsbatterimaterialer og fremstilling og nedstrøms påføringsområder. Opstrøms giver hovedsageligt metalressourcer såsom lithium, kobolt og nikkel samt kernematerialer til fast-state elektrolytter. Det har en stærk ressourceafhængighed, høje tekniske barrierer og høj markedskoncentration. Midtstrømmen er kerneforbindelsen inden for batteriforskning og udvikling og fremstilling. Teknologisk innovation er den vigtigste drivkraft, men den står over for problemer med komplekse processer og høje omkostninger. Felterne nedstrøms er brede og dækker nye energikøretøjer, energilagring, forbrugerelektronik og andre områder med stærk politisk støtte og enormt markedspotentiale.

Selvom all-solid-state batterier har brede udsigter, står de stadig over for mange udfordringer på vejen til kommerciel masseproduktion.

På det tekniske plan, selv om der er gjort nogle fremskridt i faste elektrolytter, positive og negative elektrodematerialer osv., Er der stadig nogle grundlæggende videnskabelige problemer og tekniske tekniske problemer, der skal løses hurtigt. For eksempel, hvordan man forbedrer den ioniske ledningsevne af faste elektrolytter yderligere, forbedrer deres kompatibilitet med lithiummetal og høje specifikke energilektrodematerialer og opbygger en kompatibel og stabil fastfastet grænseflade. Forskellige tekniske ruter har også deres egne mangler, såsom den dårlige kemiske stabilitet og vanskelighed ved fremstilling af sulfidelektrolytter og den lave ioniske ledningsevne af oxidelektrolytter. Disse problemer kræver kontinuerlige F & U -investeringer for at overvinde.

Omkostninger er også en vigtig faktor, der begrænser den store påføring af all-solid-state-batterier. På nuværende tidspunkt er omkostningerne ved flydende lithium-ion-batterimonomerer omkring 0. 5 yuan pr. Watt-time, mens de materielle omkostninger ved faste statsbatterier er mere end 2 yuan pr. Watt-time uden storskala masseproduktion. De materielle omkostninger ved en 100- Kilowatt-timers batteripakke alene overstiger 200, 000 yuan, som er meget højere end de eksisterende flydende batterier. At tage sulfid-faststofbatterier som et eksempel er det sjældne metalindium, der kræves til dens produktion, dyr, og fremstilling af lithiumsulfidforløbere er vanskelig og kostbar, hvilket fører til de høje samlede omkostninger ved batterier.

På markedsniveau har solid-state batterier, som nye produkter, brug for en vis tid for at få markedsgenkendelse og accept. Selvom de har fordele i energitæthed og sikkerhed, er der stadig plads til forbedring sammenlignet med traditionelle lithiumbatterier med hensyn til cyklusliv. Selv om nogle virksomheder har opnået levering af små batch, har de desuden ikke dannet stabile ordrer, og der er usikkerhed i de faktiske ansøgningsudsigter.

Ser man på fremtiden forventes all-solid-state batterier at spille en vigtig rolle på mange områder. Inden for nye energikøretøjer vil det forbedre køretøjets krydstogtsområde, sikkerheds- og opladningshastighed, fremme den nye energikøretøjsindustri til et højere niveau og fremskynde elektrificeringstransformationen af ​​bilindustrien.

Inden for energilagring gør den høje energitæthed og lange cykluslivskarakteristika for all-solid-state batterier i stand til at opbevare elektricitet mere effektivt, balancere elforsyning og efterspørgsel og give stærk støtte til storstilet adgang og stabil drift af vedvarende energi.

Inden for forbrugerelektronik kan all-solid-state batterier gøre enheder tyndere og mere holdbare og forbedre brugeroplevelsen.

Med den kontinuerlige fremme af teknologi og udviklingen af ​​industrien vil ydelsen af ​​all-solid-state batterier fortsat forbedre sig, og omkostningerne forventes gradvist at falde. Den kontinuerlige investering og F & U for mange virksomheder såvel som fremme af samarbejdsinnovation mellem industri, akademia og forskning vil fremskynde det teknologiske gennembrud og kommercialisering af batterier med alle faste statslige. På politisk niveau øger regeringerne i forskellige lande konstant deres støtte til nye energiteknologier, hvilket også vil skabe et godt politisk miljø til udvikling af den all-solid-state batteriindustri.

Som de vigtigste kommanderende højder i konkurrencen om næste generations batteriteknologi, står all-solid-state batterier over for flere udfordringer såsom teknologi, omkostninger og marked, men de har en lys fremtid. I bølgen af ​​global energitransformation og teknologisk fremgang forventes all-solid-state batterier at blive kernemæssige kraft til at fremme energilagringstransformation og indlede en ny æra med energilagring.